JP6721454B2 - 時計用部品 - Google Patents

Description

本発明は、時計用部品における機械的強度の向上に関する。

近年、腕時計は電子式時計と機械式時計とに二分されている。電子式時計は様々な機能を備えた携帯用電子機器として、機械式時計は手作りの高級装飾品として、それぞれ市場が形成されている。

機械式時計においては、時分針や秒針を駆動する機構は、ぜんまい、てん輪、がんぎ車、アンクル歯車、輪列等の部品で構成されている。従来、これらの部品には金属材が用いられていたが、金属材は磁気の影響を受けやすくまた大量生産に適していないので、現在はシリコン材を用いＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術でこれらの部品を形成するようになった。

シリコン材にＭＥＭＳ技術を用いて形成した部品は、そのままでは機械的強度が十分でないため、ＭＥＭＳ技術を用いて形成した部品の表面に被膜を形成し機械的強度を高める技術が開示されている。（例えば特許文献１）

特許文献１に開示された時計用の微小機械部品は、シリコン製コアを備え、その表面の全体または一部に、天然の二酸化ケイ素（以降、ＳｉＯ_２）の５倍の厚さの非晶質材料による被膜を形成し機械的強度を高める構造としている。

実用新案登録第３１５４０９１号公報（第１頁、図１）

しかし、特許文献１に示した従来技術においては、微小機械部品の表面または一部に形成する非晶質材料の厚さは十分でないため、微小機械部品の機械的強度が高めることができないという課題がある。また微小機械部品の機械的強度を高めるために非晶質材料を厚く形成することは、工程に時間がかかり生産性が低いという課題がある。詳述すると、時計用の部品として求められる１００ｃｍ以上の耐衝撃高さを確保するためには、部品の表面に１μｍから１０μｍの厚さの膜が必要であることが一般に知られているが、特許文献１に示した従来技術では部品の表面の膜は、天然のＳｉＯ_２の厚さ１ｎｍから１０ｎｍの５倍の５ｎｍから５０ｎｍであり、耐衝撃高さの向上に必要な１μｍから１０μｍの厚さを著しく下回る。

また微小機械部品の表面または一部にＳｉＯ_２の被膜を１μｍから１０μｍ形成するためには、５時間以上の被膜生成時間が必要であることが一般に知られている。すなわち特許文献１に示した従来技術では、時計用部品としての耐衝撃高さを十分高められず、また被膜を厚くして耐衝撃高さを高めるためには、被膜生成に多大の時間を要し部品の生産性を悪化させる、という課題がある。

本発明の目的は上記課題を解決し、シリコンなど脆弱性材料を用いた時計用部品の表面に十分な厚みの被膜を効率よく形成し、耐衝撃高さ等の機械的強度を高めた時計用部品を実現することである。

上記課題を解決するため本発明の時計用部品は下記記載の構成を採用する。

本発明の時計用部品は、回転軸体と嵌合するための貫通孔を有し、回転軸体を中心として回転又は揺動する脆性材料からなる母材の表面に樹脂層を設けた時計用部品であって、樹脂層は、パラキシリレン系樹脂が、２μｍ以上、１０μｍ以下の厚みで形成されていることを特徴とする。

これにより、パラキシリレン系樹脂による樹脂層を短時間で母材の表面に形成することが可能となり生産性が向上するとともに、時計用部品の総重量の増加を最小限にとどめながら機械的強度を向上させることができる。

また樹脂層の厚みが３μｍ以上、５μｍ以下であることがより望ましい。

これにより、パラキシリレン系樹脂の樹脂層による機械的強度の向上が最適になり、母材の特性を損なわず機械的強度を向上した時計用部品が形成される。

また、母材はシリコンであることが望ましい。

これにより、シリコンにＭＥＭＳ技術を適用して時計用部品を効率的に生産することが可能となる。

また時計用部品はひげぜんまいであっても良い。

本発明によれば、時計用部品の表面に軽量かつ十分な厚さの樹脂膜を短い生成時間で形成することができて生産性が向上するとともに、耐衝撃高さ等の機械的強度や耐久性を高めた時計用部品の形成が可能となる。

本発明の第１実施形態における時計用部品の構造を示す平面図である。 本発明の実施形態における時計用部品の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態における時計用部品の製造工程を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における時計用部品の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態における時計用部品の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態における時計用部品の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態における時計用部品の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態における時計用部品の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態における時計用部品の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態における時計用部品の特性を示すグラフである。 本発明の実施形態における時計用部品の特性を示すグラフである。 本発明の実施形態における時計用部品の特性を示すグラフである。 本発明の実施形態における時計用部品の特性を示すグラフである。 本発明の実施形態における応用例を示す斜視図である。 本発明の実施形態における応用例を示す斜視図である。

本発明は、時計用部品の母材として脆性材料を用いた場合、その表面に、パラキシリレ
ン系樹脂による樹脂層を２μｍ以上、１０μｍ以下で形成し、時計用部品の特性を損なわず時計用部品の機能を維持しつつ時計用部品の機械的強度の向上と生産性の向上を達成するものである。

以下、図１Ａから図８を用いて本発明の時計用部品の詳細を、ひげぜんまいを例に説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態における時計用部品の構造を示す平面図及び断面図、図２は図１Ａ及び図１Ｂに示す時計用部品の製造工程を示すフローチャート、図３Ａから図３Ｃは図１Ａ及び図１Ｂに示す時計用部品の製造方法を示す断面図、図４Ａから図４Ｃは図３Ｃに続く時計用部品の製造方法を示す断面図、図５から図８は本発明の実施形態における時計用部品の特性を示すグラフである。

図１Ａから図４Ｃを用いて、本発明の実施形態における時計用部品の構造について説明する。
以下、本発明の実施形態における時計用部品として機械式腕時計用の部品である「ひげぜんまい」を例に説明するが、本発明はこれに限らず他の時計用部品に広く適用可能である。

［ひげぜんまいの構成の説明：図１Ａ及び図１Ｂ］
図１Ａ及び図１Ｂを用いて本実施形態を詳述する。図１Ａは、本発明の実施形態におけるひげぜんまい１の平面図であって、ひげぜんまい１を図示しない機械式腕時計の回転軸体の軸方向から平面視したときの様子を示している。説明のため、ひげぜんまい１は渦巻き状のバネの巻き数が４巻きの場合を示している。

図１Ａにおいて、ひげぜんまい１は、中心部に図示しない機械式腕時計の回転軸体であるてん真と嵌合するための貫通孔３ａを有するひげ玉３と、貫通孔３ａを中心にしてひげ玉３に巻回されるように形成されたコイル形状のぜんまい部２と、ぜんまい部２の巻き終わりと接続するひげ持４とから構成されている。ぜんまい部２の巻き始めとひげ玉３とは接続部３ｂで接続している。ひげ持４には、ひげぜんまい１を機械式腕時計の筐体に固定するための貫通孔４ａが設けられている。

ひげぜんまい１を構成する母料としては、水晶、シリコン、シリコン酸化物、などを主成分とする単結晶材料や透明感のある装飾性を付与できるガラスから構成することができる。母料をシリコンとすれば、軽いひげぜんまいを構成できて便利である。以後の説明にあっては、ひげぜんまい１の材料を、軽くて加工しやすいという特徴を有するシリコンを母材とする場合を例に説明する。

ひげぜんまい１を構成する材料としてシリコンを用いた場合、ひげぜんまい１の製造や加工に際して、シリコン半導体基板の加工工程として知られている深堀りＲＩＥ技術を用いることができ、半導体装置を製造する際と同様な公知の製造技術を用いることができる。

ぜんまい部２は一体で形成されており、ひげ玉３の周囲を巻回されているような形状を有している。
図１Ｂは、図１Ａに示すぜんまい部２のＡ−Ａ’断面図である。図１Ｂではぜんまい部２のＡ−Ａ’断面である４つのぜんまい部２の断面を拡大して示してあり、４つの断面にぜんまい腕２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの符号を付与して説明する。

図１Ｂに示すように、ひげぜんまい１のバネ部の断面は矩形であり、この矩形形状を変えてひげぜんまい１のバネ定数を調整する。
ぜんまい部２は間隔ｋ１の渦巻きを形成しており、ぜんまい腕２０ａから２０ｄの各々
の形状は、ぜんまいによって異なるが、おおよそ幅ｅは２０μｍから６０μｍ、高さｈは７０μｍから２００μｍの範囲である。

ひげぜんまい１の全部の表面に、ひげぜんまい１の機械的強度の向上と高耐久性を確保するため高分子材を用いた樹脂層６が形成されている。
樹脂層６はシリコンよりも剛性が低い樹脂であるパラキシリレン系樹脂を用い形成され、その厚さｔは２μｍ以上１０μｍ以下であって、機械的強度を高めるための最適な厚さは３μｍ以上５μｍ以下である。

上記説明では、樹脂層６を時計用部品全面に形成する例を説明したが、強度を高めたい部分のみに樹脂層６を形成してもよく、例えば、ひげぜんまい１のぜんまい部２のみに樹脂層６を形成してもよい。

［実施形態における時計用部品の製造方法の説明：図２］
図２を用いて本発明の時計用部品の製造方法を説明する。図２は本発明の時計用部品であるひげぜんまい１の製造工程を示すフローチャートである。図２に示すように、ひげぜんまい１の製造方法はステップＳＴ１からステップＳＴ３で構成される。

ステップＳＴ１は、ひげぜんまい１の素材であるシリコン基板に外形形成用マスクを形成する外形マスク形成工程であり、ステップＳＴ２はシリコン基板からひげぜんまい１の全体の形状を形成する外形エッチング工程であり、ステップＳＴ３は、全体の形状が形成されたひげぜんまい１の表面に樹脂層６を形成する樹脂層形成工程である。

［各工程の説明：図３Ａから図４Ｃ］
以下、図３Ａから図４Ｃを用いてステップＳＴ１からステップＳＴ３の詳細を説明する。図３Ａから図３ＢはステップＳＴ１に関し、図３Ｃから図４ＢはステップＳＴ２に関し、図４ＣはステップＳＴ３に関する。なお図３Ａから図４Ｃにおいては図１Ａに示すひげぜんまい１のＡ−Ａ’断面に対応する部分のみを図示している。

[外形マスク形成工程（ステップＳＴ１）の説明：図３Ａから図３Ｂ]
図３Ａから図３Ｂは、ひげぜんまい１の外形を形成するための外形マスク形成工程である。なお説明のため、図３Ａから図４Ｃに示す断面図は、図１Ａに示すひげぜんまい１のＡ−Ａ’断面に対応する部分を図示しており、他の部分についても同様である。

＜外形マスク形成工程（ステップＳＴ１）＞
図３Ａに示すように、少なくともひげぜんまい１が取り出せる大きさと厚みとを有するシリコン基板２００の上面２００ｕ及び下面２００ｂにレジストＲを塗付する。
シリコン基板２００は、ひげぜんまい１が多数個取り出せる大きさが好ましい。またレジストＲはフォトリソグラフィで多用される樹脂系の液体レジストを用いる。

次に図３Ｂに示すように、シリコン基板２００のぜんまい部２となるぜんまい腕２０ａから２０ｄの幅ｅに相当する部分を覆うように、液体レジストＲをフォトリソグラフィでパターン化し、開口部９ｗを備えた外形形成用マスク９を形成する。上述の通りこの外形形成用マスク９は図示しないがひげぜんまい１の全体を形作る形状である。
以上でステップＳＴ１が終了する。

＜外形エッチング工程（ステップＳＴ２）＞
次に図３Ｃに示すように、シリコン基板２００をボッシュプロセスとして知られた方法を用いてエッチングする。詳細には外形形成用マスク９を形成したシリコン基板２００にエッチング用ガスＧ１とパッシベーション用ガスＧ２とを交互に各々所定の時間印加する
。

図３Ｃに示すように、シリコン基板２００は外形形成用マスク９で覆われた部分を除いて外形線ｃに沿ってボッシュプロセスによりエッチングされ、最終的に図４Ａに示すように、外形形成用マスク９で一部が覆われたぜんまい腕２０ａからぜんまい腕２０ｄが、基板２００からエッチングにより離断される。

この後、図４Ｂに示すように、アルカリ水溶液を用いて外形形成用マスク９を除去し、ひげぜんまい１の外形が形成された未処理ひげぜんまい１ｐが形成される。図４Ｂにおいて図示していないが未処理ひげぜんまい１ｐは、シリコン基板２００からエッチングによってぜんまい部２の全体が離断され、ひげ玉３の貫通穴３ａ及びひげ持４の貫通穴４ａは貫通して形成されている。
以上でステップＳＴ２が終了する。

[樹脂膜形成工程（ステップＳＴ３）の説明：図４Ｃ]
図４Ｃは樹脂層形成工程（ステップＳＴ３）を説明する断面図である。ステップＳＴ３では、未処理ひげぜんまい１ｐに、樹脂層６を形成する。

＜ステップＳＴ３＞
図示していないが、未処理ひげぜんまい１ｐを純水等で洗浄し不純物を除去する。

次に図４Ｃに示すように、未処理ひげぜんまい１ｐの全表面に、気相蒸着重合法の薄膜形成プロセスによって、パラキシリレン系樹脂による樹脂層６を形成する。本実施形態では樹脂層６の厚さｔは４μｍである。以上でステップＳＴ３が終了する。

以上述べたステップＳＴ１からステップＳＴ３の工程の後、ひげぜんまい１の完成形を得る。

［実施形態における効果の説明：図５から図８］
図５から図８を用いて実施形態における効果を説明する。図５から図８は、パラキシレン系樹脂膜の有用性確認実験の結果を示すグラフであり、各々ＳｉＯ_２被膜による測定結果を参照データとして示している。

まず図５は、図１Ａに示すシリコンを母材としたひげぜんまい１の表面に形成されたパラキシリレン系樹脂及びＳｉＯ_２被膜の厚さと耐衝撃高さとの関係を示すグラフ、図６はシリコンに形成されたパラキシリレン系樹脂及びＳｉＯ_２被膜の厚さと膜の形成時間との関係を示すグラフ、図７はシリコンに形成されたパラキシリレン系樹脂及びＳｉＯ_２被膜の厚さと形成した膜の相対重量との関係を示すグラフ、図８はシリコンに形成されたパラキシリレン系樹脂及びＳｉＯ_２被膜の厚さと膜を形成したシリコンのヤング率の変動割合（％）との関係を示すグラフであって、グラフ上の白抜きの菱形はパラキシリレン系樹脂膜の測定点で、黒い四角はＳｉＯ_２被膜の測定点である。

図５に示す時計用部品の耐衝撃性の評価結果を示すグラフは、シリコンで形成した時計用部品として、ぜんまい腕の寸法が幅ｅを２０μｍから６０μｍ、高さｈを７０μｍから２００μｍの範囲で作成した複数の寸法のひげぜんまいを用意し、アンクル及び歯車としては厚みが２００μｍから４００μｍのものを用意して、上記時計用部品の表面に形成されたパラキシリレン系樹脂及びＳｉＯ_２被膜の厚さと耐衝撃高さとの関係を評価した結果である。

図５に示すように、シリコンで形成した時計用部品に、１００ｃｍの高さから落下させ
ても破損しない耐衝撃性を付与するためにはＳｉＯ_２被膜において１から１０μｍの厚さが必要であり、一方パラキシリレン系樹脂膜においては２から１０μｍの厚さが必要である。すなわちパラキシリレン系樹脂膜はＳｉＯ_２被膜と同等の強度を有している。
さらに最も高い耐衝撃性が得られるのは、ＳｉＯ_２被膜において２μｍから５μｍの厚さが必要であり、一方パラキシリレン系樹脂膜においては３μｍから５μｍの厚さであることがわかる。

また図６は、シリコンを母材とした時計用部品に形成されたパラキシリレン系樹脂及びＳｉＯ_２被膜の厚さと膜を形成するために要した時間との関係を示すグラフである。図６に示すように、ＳｉＯ_２被膜において１μｍの厚さの膜を生成するために要する時間は略５時間であり、一方パラキシリレン系樹脂膜において２μｍの厚さの膜を生成するために要する時間は略２時間である。
すなわちパラキシリレン系樹脂膜を用いれば、ＳｉＯ_２被膜における生成時間の１／２程度の時間で、ＳｉＯ_２被膜と同等の機械的強度を有する膜を形成可能である。

また図７は、シリコンを母材とした時計用部品に形成されたパラキシリレン系樹脂及びＳｉＯ_２被膜の厚さと、形成された膜の重量との関係を示すグラフであって、形成された膜の重量は、同体積のシリコンの重量を１として相対重量で示している。
図７に示すように、ＳｉＯ_２被膜とパラキシリレン系樹脂膜を同じ厚さになるように形成すると、パラキシリレン系樹脂膜の相対重量はＳｉＯ_２被膜の１／２以下である。一般にシリコンの材料特性は、形成された膜の重量によって影響を受けるので、ＳｉＯ_２被膜より軽いパラキシリレン系樹脂膜はシリコンの材料特性を損なわず有利である。

また図８は、シリコンを母材とした時計用部品に形成されたパラキシリレン系樹脂及びＳｉＯ_２被膜の厚さと、膜を形成したシリコンの２３℃におけるヤング率の変動割合（％）との関係を示すグラフであって、ヤング率の変動割合（％）は膜の厚さが０の場合を基準に示している。

図８に示すように、ＳｉＯ_２被膜とパラキシリレン系樹脂膜を同じ厚さに形成すると、パラキシリレン系樹脂膜のヤング率の変動割合はＳｉＯ_２被膜におけるヤング率の変動割合の略７０％である。シリコンで時計用部品を形成した場合、表面に形成された膜の厚さによってヤング率が変化し時計用部品の剛性が変化する。その結果、時計の諸特性が変化するので、パラキシリレン系樹脂膜はＳｉＯ_２被膜よりヤング率の変動割合が少なく時計用部品として優れている。

以上述べたように、本発明によるパラキシリレン系樹脂膜を設けた時計用部品は、耐衝撃高さ等の機械的強度と、生産性と、シリコンの特性への影響との３点において、ＳｉＯ_２被膜を用いた従来技術に勝り、優れた時計用部品を実現することが可能となる。

［実施形態の応用例：図９及び図１０］
図９及び図１０を用いて本発明を上記実施形態とは異なる時計用部品へ適用した例を説明する。図９及び図１０は、本発明の応用例を示す斜視図であって、図９はガンギ歯車体１１、図１０はアンクル体３１として知られている腕時計の部品である。

時計用部品として、ガンギ歯車体１１などの輪列部品やアンクル体３１をシリコンやガラスなどの脆性材料で形成した場合においても、表面にパラキシリレン系樹脂膜を樹脂層６として２μｍ以上、１０μｍ以下の厚みで形成しておくことで、耐衝撃性を向上させるとともに重量の増加を抑制することが可能となる。さらに好ましくは、樹脂層６を３μｍ以上、５μｍ以下の厚みで形成しておくとよい。

［実施形態の応用例の効果］
本発明をガンギ歯車体１１やアンクル体３１に応用した場合の効果は、ひげぜんまいを例として説明した実施形態の効果と同様に、ガンギ歯車体１１、アンクル体３１において機械的強度を高め、かつヤング率の低下と重量の増加とを最小限に抑えることである。

以上説明した実施形態は、これに限定されるものではなく、それぞれの実施形態を組み合わせて構成しても構わない。また、本発明の要旨を満たすものであれば任意に変更することができることはいうまでもない。

１ ひげぜんまい
１ｐ 未処理ひげぜんまい
１１ ガンギ歯車体
１１ａ、３１ａ シリコンコア
３１ アンクル体
２ ぜんまい部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ ぜんまい腕
３ ひげ玉
３ｂ ひげ玉固定部
３ａ、４ａ 貫通孔
３ｂ 接続部
４ ひげ持
６ 樹脂層
９ 外形形成用マスク
９ｗ マスク開口部
２００ シリコン基板
２００ｕ 上面
２００ｂ 下面
Ｒ レジスト
ｃ 外形線
ｔ （樹脂膜の）厚さ
ｅ ぜんまい腕幅
ｈ ぜんまい腕高さ
ｋ１ ぜんまい部間隔
Ｇ１ エッチング用ガス
Ｇ２ パッシべーション用ガス

Claims (4)

1. 回転軸体と嵌合するための貫通孔を有し、前記回転軸体を中心として回転又は揺動する脆性材料からなる母材の表面に樹脂層を設けた時計用部品であって、
   前記樹脂層は、パラキシリレン系樹脂が、２μｍ以上、１０μｍ以下の厚みで形成されていることを特徴とする時計用部品。
2. 前記樹脂層の厚みが３μｍ以上、５μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の時計用部品。
3. 前記母材は、シリコンである
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の時計用部品。
4. 前記時計用部品は、ひげぜんまいである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の時計用部品。